Коллоидная химия

КОЛЛО́ИДНАЯ ХИ́МИЯ

Коллоидная химия

Авторы: А. В. Перцов

КОЛЛО́ИДНАЯ ХИ́МИЯ, изу­ча­ет строе­ние и ха­рак­тер­ные свой­ст­ва дис­перс­ных сис­тем, про­те­каю­щие в та­ких сис­те­мах фи­зи­ко-хи­ми­че­ские про­цес­сы, а так­же за­ко­но­мер­но­сти по­верх­но­ст­ных яв­ле­ний.

В дис­перс­ных сис­те­мах хо­тя бы од­на из фаз на­хо­дит­ся в ви­де час­тиц ма­ло­го раз­ме­ра (дис­перс­ная фа­за), рас­пре­де­лён­ных в не­пре­рыв­ной (дис­пер­си­он­ной) сре­де, и пло­щадь по­верх­но­сти раз­де­ла ме­ж­ду дис­перс­ной фа­зой и дис­пер­си­он­ной сре­дой, при­хо­дя­щая­ся на еди­ни­цу мас­сы дис­перс­ной фа­зы, очень ве­ли­ка. С на­ли­чи­ем силь­но раз­ви­той по­верх­но­сти раз­де­ла свя­за­на оп­ре­де­ляю­щая роль по­верх­но­ст­ных яв­ле­ний и дей­ст­вую­щих вбли­зи гра­ниц раз­де­ла фаз по­верх­но­ст­ных сил в фор­ми­ро­ва­нии струк­ту­ры и осо­бых свойств дис­перс­ных сис­тем. Кро­ме дис­перс­ных сис­тем, объ­ек­та­ми изу­че­ния К. х. слу­жат тон­кие плён­ки, ре­же ни­ти. Ис­то­ри­че­ски сло­жив­шее­ся назв. «К. х.», рав­но­знач­ное совр. тер­ми­ну «фи­зи­ко­хи­мия дис­перс­ных сис­тем и по­верх­но­стных яв­ле­ний», про­изош­ло от сло­во­сочета­ния «кол­ло­ид­ные сис­те­мы» (или «кол­лои­ды», от греч. ϰόλλα – гум­ми, ка­медь, клей), ко­то­рое в совр. тер­ми­но­ло­гии яв­ля­ет­ся си­но­ни­мом по­ня­тия «тон­ко­дис­перс­ные сис­те­мы» (т. е. сис­те­мы с раз­ме­ра­ми час­тиц от 1 нм до 1000 нм). Уни­вер­саль­ность дис­перс­но­го со­стоя­ния и чрез­вы­чай­ное мно­го­об­ра­зие дис­перс­ных сис­тем обу­слов­ли­ва­ют меж­дис­ци­п­ли­нар­ное по­ло­же­ние К. х. и её тес­ную связь с хи­ми­ей, фи­зи­кой, био­ло­ги­ей, ме­ди­ци­ной, ме­тео­ро­ло­ги­ей, поч­во­ве­де­ни­ем, гео­ло­ги­ей, др. об­лас­тя­ми ес­те­ст­во­зна­ния.

Наи­бо­лее важ­ной за­да­чей К. х. яв­ля­ет­ся раз­ра­бот­ка тео­ре­тич. ос­нов управ­ле­ния про­цес­са­ми об­ра­зо­ва­ния, раз­ру­ше­ния, ус­той­чи­во­сти дис­перс­ных сис­тем, по­лу­че­ния дис­перс­ных сис­тем с за­дан­ны­ми струк­ту­рой и свой­ст­ва­ми. Управ­ле­ние кол­ло­ид­но-хи­мич.

про­цес­са­ми для дис­перс­ных сис­тем разл. при­ро­ды – зо­лей, ге­лей, сус­пен­зий, пен, эмуль­сий, аэ­ро­зо­лей и др. – осу­ще­ст­в­ля­ет­ся ре­гу­ли­ро­ва­ни­ем меж­мо­ле­ку­ляр­ных взаи­мо­дей­ст­вий на гра­ни­цах раз­де­ла фаз гл. обр.

пу­тём ис­поль­зо­ва­ния низ­ко- и вы­со­ко­мо­ле­ку­ляр­ных по­верх­но­ст­но-ак­тив­ных ве­ществ (ПАВ) и элек­тро­ли­тов.

Историческая справка

Тер­мин «кол­лои­ды» вве­дён в 1861 Т. Грэ­мом, на­звав­шим так клее­по­доб­ные ве­ще­ст­ва, не кри­стал­ли­зую­щие­ся и мед­лен­но диф­фун­ди­рую­щие че­рез мем­бра­ну; им же сфор­му­ли­ро­ва­ны осн. по­ло­же­ния К. х. Од­на­ко ещё на на­чаль­ных эта­пах раз­ви­тия хи­мич.

зна­ний в ра­бо­тах ал­хи­ми­ков и фар­ма­цев­тов опи­са­ны ха­рак­тер­ные для кол­ло­ид­ных сис­тем про­цес­сы – коа­гу­ля­ция, студ­не­об­ра­зо­ва­ние, де­на­ту­ра­ция бел­ка и пр. Сре­ди ран­них (кон. 18 – сер. 19 вв.) ис­сле­до­ва­ний в об­лас­ти К. х. мо­ж­но вы­де­лить ра­бо­ты Й.

 Бер­це­лиу­са по по­лу­че­нию псев­до­ра­с­тво­ров (зо­лей), итал. хи­ми­ка Ф. Сель­ми, ус­та­но­вив­ше­го не­ус­той­чи­вость та­ких псев­до­ра­с­тво­ров (ко­а­гу­ля­цию при до­бав­ле­нии элек­тро­ли­тов), итал. ес­те­ст­во­ис­пы­та­те­ля Ф. Фон­та­ны, К. Шее­ле и Т. Е. Ло­ви­ца по ад­сорб­ции, от­кры­тие рос. хи­ми­ком Ф. Ф.

Рейс­сом элек­тро­ки­не­тич. яв­ле­ний – элек­тро­ос­мо­са и элек­тро­фо­ре­за, ис­сле­до­ва­ния М. Фа­ра­дея, раз­ра­бо­тав­ше­го ме­то­ды ста­би­ли­за­ции кол­ло­ид­ных рас­тво­ров зо­ло­та. На ос­но­ве на­ко­п­лен­ных к нач. 20 в. экс­пе­рим. дан­ных по изу­че­нию по­лу­чен­ных к это­му пе­рио­ду мно­го­числ. кол­ло­ид­ных сис­тем рос.

хи­мик П. П. Вей­марн вы­дви­нул (1904–16) прин­цип уни­вер­саль­но­сти кол­ло­ид­но­го (дис­перс­но­го) со­стоя­ния ве­ще­ст­ва. 

Ос­но­вы тео­рии по­верх­но­ст­ных яв­ле­ний бы­ли за­ло­же­ны ра­бо­та­ми Т. Юн­га (за­кон по­сто­ян­ст­ва уг­ла сма­чи­ва­ния, 1804), П. Ла­п­ла­са (за­кон ка­пил­ляр­но­го дав­ле­ния, 1806), Дж. Гиб­бса (тер­мо­ди­на­мич.

тео­рия яв­ле­ний ад­сорб­ции и об­ра­зо­ва­ния но­вой фа­зы, 1878), Г. Лип­ма­на (за­ви­си­мость по­верх­но­ст­но­го на­тя­же­ния от элек­трич. по­тен­циа­ла, 1875), бельг. фи­зи­ка Ж.

 Пла­то (прин­цип ми­ни­му­ма пло­ща­ди по­верх­но­сти, 1843).

В нач. 20 в. важ­ные дос­ти­же­ния в об­ла­с­ти К. х. свя­за­ны с раз­ра­бот­кой А. Эйн­штей­ном и М. Смо­лу­хов­ским мо­ле­ку­ляр­но-ки­не­тич. тео­рии (1905–06). Ос­но­вы этой тео­рии бы­ли под­твер­жде­ны экс­пе­ри­мен­таль­но ра­бо­та­ми Р. Зиг­мон­ди (Но­бе­лев­ская пр., 1925), Т.

 Свед­бер­га (Но­бе­лев­ская пр., 1926) и Ж. Пер­ре­на (Но­бе­лев­ская пр., 1926) по ис­сле­до­ва­нию бро­унов­ско­го дви­же­ния час­тиц, И. Лен­гмю­ра (Но­бе­лев­ская пр., 1932) по опи­са­нию за­ко­но­мер­но­стей ад­сорб­ции и свойств мо­но­мо­ле­ку­ляр­ных сло­ёв ПАВ. В 1920–50-х гг.

ак­тив­но раз­ви­вает­ся уче­ние о ро­ли ПАВ в об­ра­зо­ва­нии и ус­той­чи­во­сти дис­перс­ных сис­тем (П. А. Ре­бин­дер), соз­да­ют­ся тео­рия ус­той­чи­во­сти дис­перс­ных сис­тем (Б. В. Де­ря­гин совм. с Л. Д. Лан­дау, не­за­ви­си­мо от них Э. Фер­вей и Я. Т. Овер­бек), тео­рия элек­тро­ки­не­тич.

яв­ле­ний (И. И. Жу­ков).

Во 2-й пол. 20 в. наи­боль­ший ус­пех дос­тиг­нут в изу­че­нии и раз­ра­бот­ке на­уч. ос­нов та­ких раз­де­лов К. х., как тео­рия по­верх­но­ст­ных яв­ле­ний и по­верх­но­ст­ных сил, са­мо­ор­га­ни­зую­щие­ся сис­те­мы – ад­сорб­ци­он­ные слои, плён­ки с вы­со­кой сте­пе­нью упо­ря­до­чен­но­сти (см.

Лен­гмю­ра – Блод­жетт плён­ки), про­цес­сы пе­ре­но­са в дис­перс­ных сис­те­мах (элек­тро­ки­не­тич. яв­ле­ния, тер­мо- и диф­фу­зио­фо­рез и др.), ус­той­чи­вость и фи­зи­ко-хи­мич. гид­ро­ди­на­ми­ка пен, эмуль­сий и тон­ких плё­нок, ме­то­ды ма­те­ма­тич. мо­де­ли­ро­ва­ния в при­ло­же­нии к ана­ли­зу кол­ло­ид­но-хи­мич.

сис­тем и про­цес­сов.

В су­ще­ст­вен­ной сте­пе­ни раз­ви­тие К. х. обу­слов­ле­но раз­ра­бот­кой спе­ци­фич. ме­то­дов ис­сле­до­ва­ния. Ещё до вы­де­ле­ния К. х. в са­мо­сто­ят. об­ласть зна­ния со­вер­шен­ст­во­ва­лись ме­то­ды син­те­за кол­ло­ид­ных сис­тем, а так­же изу­че­ние элек­тро­ки­не­тич. яв­ле­ний в этих сис­те­мах. В 20 в. раз­ви­тие по­лу­чи­ли оп­тич., ульт­ра­мик­ро­ско­пич.

и др. ме­то­ды дис­пер­си­он­но­го ана­ли­за, ис­сле­до­ва­ния по­верх­но­ст­но­го на­тя­же­ния на гра­ни­цах раз­де­ла фаз разл. при­ро­ды, свойств ад­сорб­ци­он­ных сло­ёв (в т. ч. с по­мо­щью ве­сов Лен­гмю­ра), про­цес­сов сма­чи­ва­ния и рас­те­ка­ния, рент­ге­но-, элек­тро­но- и ней­тро­но­гра­фич.

ме­то­ды изу­че­ния струк­ту­ры дис­перс­ных час­тиц и тон­ких плё­нок, ме­то­ды изу­че­ния по­верх­но­ст­ных сил и др. При­ме­нение разл. ви­дов элек­трон­ной мик­ро­ско­пии и в осо­бен­но­сти атом­но-си­ло­вой и тун­нель­ной мик­ро­ско­пии по­зво­ли­ло пе­рей­ти от ис­сле­до­ва­ния дис­перс­ных сис­тем как це­ло­го к изу­че­нию отд.

час­тиц дис­перс­ной фа­зы и спо­соб­ст­во­ва­ло вы­де­ле­нию смеж­ной с К. х. дис­ци­п­ли­ны – на­но­хи­мии.

Структура науки

В совр. К. х. мож­но вы­де­лить ряд осн. раз­де­лов. 1. По­верх­но­ст­ные яв­ле­ния (в т. ч. ка­пил­ляр­ные яв­ле­ния) на гра­ни­цах раз­де­ла фаз разл. при­ро­ды, вклю­чая изу­че­ние по­верх­но­ст­ных сил, тер­мо­ди­на­ми­ки и ки­не­тич.

за­ко­но­мер­но­стей ад­сорб­ции, ад­ге­зии и сма­чи­ва­ния, строе­ния и свойств мо­но­мо­ле­ку­ляр­ных сло­ёв ПАВ, ме­ха­низ­мов дей­ст­вия ПАВ. Этот раз­дел К. х. наи­бо­лее тес­но свя­зан с та­ки­ми смеж­ны­ми дис­ци­п­ли­на­ми, как мо­ле­ку­ляр­ная и тео­ре­тич. фи­зи­ка, элек­тро­хи­мия (изу­че­ние элек­тро­ка­пил­ляр­ных яв­ле­ний), фи­зи­че­ская хи­мия. 2.

Хи­мия по­верх­но­сти твёр­дых тел, ион­ный об­мен и хро­ма­то­гра­фия (со­вме­ст­но с хи­ми­ей по­верх­но­сти – изу­че­ние осо­бен­но­стей мик­ро­струк­ту­ры, кри­стал­ли­че­ской и элек­трон­ной струк­ту­ры при­поверх­но­ст­ных сло­ёв твёр­до­го те­ла, со­вме­ст­но с элек­тро­хи­ми­ей – строе­ния двой­но­го элек­трич.

слоя и его из­ме­не­ния при варь­и­ро­ва­нии со­ста­ва дис­пер­си­он­ной сре­ды, энер­ге­тич. ха­рак­те­ри­с­тик при ад­сорб­ции ком­по­нен­тов сре­ды). 3.

 Про­цес­сы пе­ре­но­са в дис­перс­ных сис­те­мах, вклю­чая элек­тро­ки­не­ти­че­ские яв­ле­ния (элек­тро­фо­рез, элек­тро­ос­мос, то­ки и по­тен­циа­лы те­че­ния и се­ди­мен­та­ции), мем­бран­ные яв­ле­ния (ос­мос, об­рат­ный ос­мос, воз­ник­но­ве­ние мем­бран­но­го по­тен­циа­ла), про­цес­сы ста­цио­нар­ной и не­ста­цио­нар­ной фильт­ра­ции, диф­фу­зи­он­но­го пе­ре­но­са час­тиц дис­перс­ной фа­зы, их осе­да­ние в по­ле си­лы тя­же­сти (се­ди­мен­та­ция). Ме­то­дич. ос­но­вой рас­смот­ре­ния про­цес­сов пе­ре­но­са в дис­перс­ных сис­те­мах яв­ля­ет­ся тер­мо­ди­на­ми­ка не­рав­но­вес­ных про­цес­сов. 4. Лио­филь­ные кол­ло­ид­ные сис­те­мы (са­мо­ор­га­ни­зую­щие­ся тер­мо­ди­на­ми­че­ски рав­но­вес­ные суп­ра­мо­ле­ку­ляр­ные сис­те­мы), в т. ч. изу­че­ние ус­ло­вий воз­ник­но­ве­ния и строе­ния ми­цел­ляр­ных сис­тем и мик­ро­эмуль­сий, осо­бен­но­стей про­те­ка­ния в них хи­мич. про­цес­сов (со­вме­ст­но с суп­ра­мо­ле­ку­ляр­ной хи­ми­ей). 5. Тер­мо­ди­на­ми­ка и ки­нети­ка об­ра­зо­ва­ния и раз­ру­ше­ния дис­перс­ных сис­тем, раз­ра­бот­ка ме­то­дов по­лу­че­ния сис­тем с за­дан­ны­ми раз­ме­ра­ми и фор­мой час­тиц дис­перс­ной фа­зы, вклю­чая на­но­дис­перс­ные кол­ло­ид­ные сис­те­мы. Раз­ви­тие тео­рии ус­той­чи­во­сти лио­фоб­ных дис­перс­ных сис­тем свя­за­но с изу­че­ни­ем ро­ли фак­то­ров ус­той­чи­во­сти с це­лью раз­ра­бот­ки спо­со­бов управ­ле­ния про­цес­са­ми коа­гу­ля­ции, коа­лес­цен­ции и ост­валь­до­ва со­зре­ва­ния (диф­фу­зи­он­но­го пе­ре­но­са ве­ще­ст­ва от ма­лых час­тиц к бо­лее круп­ным). 6. Тер­мо­ди­на­ми­ка и фи­зи­ко-хи­мич. гид­ро­ди­на­ми­ка об­ра­зо­ва­ния и раз­ру­ше­ния тон­ких плё­нок (изу­че­ние сил, дей­ст­вую­щих в по­доб­ных на­но­объ­ек­тах, – со­став­ляю­щих рас­кли­ни­ваю­ще­го дав­ле­ния, ки­не­ти­ки утон­че­ния плё­нок, воз­мож­но­сти об­ра­зо­ва­ния ме­та­ста­биль­ных со­стоя­ний – обыч­ных и нью­то­нов­ских чёр­ных плё­нок). 7. Изу­че­ние осо­бых оп­ти­че­ских, элек­трон­ных и маг­нит­ных свойств час­тиц ма­лых раз­ме­ров (на­но­ча­стиц) и низ­ко­раз­мер­ных по­верх­но­ст­ных струк­тур и соз­да­ние на этой ос­но­ве но­вых уст­ройств и ма­те­риа­лов (на­но­тех­но­ло­гия). 8. Фи­зи­ко-хи­мич. ме­ха­ни­ка твёр­дых тел и дис­перс­ных сис­тем, в т. ч. раз­ра­бот­ка фи­зи­ко-хи­мич. ос­нов оп­ти­маль­ных ме­то­дов по­лу­че­ния твёр­дых тел и ма­те­риа­лов с за­дан­ной струк­ту­рой и ме­ха­нич. свой­ст­ва­ми, ме­то­дов фор­ми­ро­ва­ния и ме­ха­нич. об­ра­бот­ки, оп­ти­ми­за­ции ус­ло­вий экс­плуа­та­ции с учё­том влия­ния сре­ды на проч­ность и дол­го­веч­ность (см. Ре­бин­де­ра эф­фект). Ис­сле­до­ва­ния про­цес­сов струк­ту­ро­об­ра­зо­ва­ния в дис­перс­ных сис­те­мах, рео­ло­гии дис­перс­ных сис­тем, золь-гель пе­ре­хо­дов, тик­со­тро­пии, влия­ния внутр. на­пря­же­ний на экс­плуа­тац. ха­рак­те­ри­сти­ки из­де­лий не­раз­рыв­но свя­за­ны с за­да­ча­ми та­ких смеж­ных на­уч. дис­ци­п­лин, как фи­зи­ка твёр­до­го те­ла, ма­те­риа­ло­ве­де­ние, ме­ха­ни­ка. 

Пер­спек­ти­вы раз­ви­тия К. х. в зна­чит. ме­ре свя­за­ны с ре­ше­ни­ем про­блем, воз­ни­каю­щих на сты­ке К. х. с био­ло­ги­ей, ма­те­риа­ло­ве­де­ни­ем, нау­ка­ми о Зем­ле и др. не­бес­ных те­лах и объ­ек­тах, с др. об­лас­тя­ми ес­те­ст­во­зна­ния. За­да­ча­ми кол­ло­ид­но-хи­мич.

ис­сле­до­ва­ний в этих на­прав­ле­ни­ях яв­ля­ют­ся, с од­ной сто­ро­ны, раз­ра­бот­ка тео­ре­тич. ос­нов для ана­ли­за ус­ло­вий и за­ко­но­мер­но­стей про­те­ка­ния про­цес­сов, про­ис­хо­дя­щих в рас­смат­ри­вае­мых смеж­ны­ми на­уч.

дис­ци­п­ли­на­ми сис­те­мах, а с дру­гой – вос­про­из­ве­де­ние этих про­цес­сов для оп­ти­ми­за­ции разл. тех­но­ло­гий.

Важ­ное прак­тич. зна­че­ние К. х. оп­ре­де­ля­ет­ся её вкла­дом в со­вер­шен­ст­во­ва­ние разл. при­клад­ных на­ук и тех­но­ло­гий: золь-гель про­цес­сов (напр.

, син­те­за ад­сор­бен­тов и ка­та­ли­за­то­ров), про­цес­сов фло­та­ции, при­ро­до­охран­ных тех­но­ло­гий (в т. ч. свя­зан­ных с очи­ст­кой во­ды и воз­ду­ха), в соз­да­ние фар­ма­цев­тич. и кос­ме­тич.

пре­па­ра­тов, мою­щих и чис­тя­щих средств, сма­зоч­ных ма­те­риа­лов, и мн. др.

Л.П. Даниловская «коллоидная химия» для чайников

Коллоидная химия

Коллоидная химия– это наука о физико-химических свойствахдисперсных систем и поверхностныхявлениях.

Дисперсная система(ДС) – это система, в которой хотя быодно вещество в более или менеераздробленном (диспергированном)состоянии равномерно распределено вмассе другого вещества. ДС гетерогенна,она состоит как минимум из двух фаз.Раздробленную фазу называют дисперснойфазой.

Сплошную среду, в которой раздроблена дисперсная фаза, называютдисперсионной средой. Характернымсвойством ДС является наличие большоймежфазной поверхности. В связи с этимопределяющими являются свойстваповерхности, а не частиц в целом.

Для ДСхарактерны процессы, протекающие наповерхности, а не внутри фазы.

Поверхностные явления и адсорбция

Поверхностныеявления ─ это явления, протекающие наповерхности раздела фаз дисперсныхсистем. К ним относятся: поверхностноенатяжение, смачивание, адсорбция и др.

На поверхностных явлениях основаныважнейшие технические процессы: очисткавоздуха и сточных вод от вредных примесей,обогащение руд полезных ископаемых(флотация), сварка металлов, чистка,смазка, окрашивание различных поверхностейи многие другие.

Поверхностное натяжение

Любая поверхностьраздела фаз имеет особые свойства,отличающиеся от свойств внутреннихчастей граничащих фаз. Это обусловленотем, что поверхностные слои обладаютизбытком свободной энергии. Рассмотримсистему, состоящую из жидкости и газа(рис.1).

На молекулу А,находящуюся внутри жидкости, действуютсилы взаимного притяжения со сторонывсех окружающих ее соседних молекул.Равнодействующая этих сил равна нулю.Для молекулы В,находящейся на поверхности жидкости,будут скомпенсированы не все силымолекулярного притяжения.

Это вызванотем, что в газе молекулы удалены другот друга на большие расстояния, силыпритяжения между ними ничтожны.Следовательно, молекулы Виспытывают притяжение только со стороныжидкости. Для них равнодействующая силмолекулярного притяжения не равна нулюи направлена вглубь жидкой фазы.

Этусилу называют внутреннимдавлением.Такое давление стремится затянуть всемолекулы с поверхности вглубь жидкости.Под действием этого давления жидкостьсжимается и ведет себя так, как будто унее есть «кожа».

Чем сильнее различаютсямежмолекулярные взаимодействия вграничащих фазах, тем больше внутреннеедавление.

Для того чтобысоздать новую поверхность раздела фаз,например, растянуть жидкость в пленку,надо затратить работу против силвнутреннего давления. Чем большевнутреннее давление, тем большую энергиютребуется затратить. Эта энергиясосредоточивается в молекулах, находящихсяна поверхности, и называется свободнойповерхностной энергией.

Работу, затраченнуюна образование 1см2 поверхности раздела фаз, или эквивалентнуюей свободную поверхностную энергию,называют поверхностнымнатяжениеми обозначают,Дж/м2.

Тогда запас свободной энергии, (Fs)cконцентрированнойна поверхности раздела фаз (S)равен: Fs=S.

Следовательно, чем меньше размер частиц,тем больше поверхность S,и тем большим запасомсвободной поверхностной энергииобладает данная дисперсная система посравнению с обычными массивными телами.

Из термодинамикиизвестно, что условиемустойчивого равновесия системыявляетсяминимум свободной энергии.В связи с этим, дисперсные системытермодинамически неустойчивы: в нихсамопроизвольнопротекают процессы,связанные с уменьшением поверхностираздела фаз за счет укрупнения частиц.

Очевидно, что состоянию равновесияотвечает расслоениесистемы(например, эмульсия разделяется на двежидкости, а суспензия ─ на жидкость иосадок). Кроме того, так как величинастремитсяк минимуму, жидкость в свободном состояниипринимает формусферы,(капли жидкости).

Это объясняется тем,что поверхность шара является минимальнойдля данного объема вещества.

Минимум величиныFs,то есть состояние равновесия системы,может быть достигнуто также за счетстремления к минимуму величины .Таким образом,самопроизвольнымив дисперсных системах являются такжепроцессы, связанные с уменьшениемвеличины поверхностного натяжения.

Длятвердых тел,которые не могут изменять свою формутакже легко, как жидкости, свободнаяповерхностная энергия Fsможет уменьшаться толькоодним путемза счетуменьшения величины поверхностногонатяжения.

Это происходит так: молекулы, лежащиев поверхностном слое, способны притягиватьи иногда очень прочно удерживать другиемолекулы из среды, окружающей твердоетело. Это явление носит название сорбции.

На величинуповерхностного натяжения оказываютвлияние:

1. Природавещества.Величинаопределяетсястроением конденсированной фазы, тоесть природой сил, действующих междучастицами.

Чем больше полярностьхимических связей в веществе, тем болеевысокие величиныхарактерныдля этого вещества. Среди жидкостей (награнице с воздухом) наибольшую величинуимеет вода.

Еще более высокие величинынаблюдают в расплавах ионных кристаллови в твердых металлах.

2.Температура.При повышении температуры величинауменьшается,так как тепловое движение частиц принагревании ослабляет действие межчастичныхсил в веществе.

3.Концентрациивводимых добавок. Величиназависит от концентрации веществ,растворенных в исследуемой жидкости.Различают два вида веществ.Поверхностно ─ инактивные вещества(ПИВ),повышающиеповерхностное натяжение раствора посравнению с чистым растворителем. К нимотносятся большинство сильныхэлектролитов.

Поверхностно −активные вещества(ПАВ),сильно понижающиеповерхностноенатяжение образовавшегося раствора.С увеличением концентрации ПАВ в растворевеличина резкоуменьшается, так как веществоконцентрируется (сорбируется) вповерхностном слое раствора, а нераспределяется равномерно в объемераствора.

В водных растворах поверхностнуюактивность проявляют полярные органическиесоединения ─ спирты, кислоты, соли идр. В молекулы таких соединенийодновременно входят и полярные группы(О, ОН, СООН, NH2)и неполярная углеводородная цепь.Схематично молекулу ПАВ условнообозначают так: «О────».

Типичнымпримером ПАВ является натриевая сольстеариновой кислоты С17Н35СООNа(твердое мыло).

Коллоидная химия

Коллоидная химия

В данном разделе представлены конспекты лекций по коллоидной химии, которые читаются на химическом факультете ИЕНиМ УрФУ.

Преподаватель: д.х.н, проф. Адамова Лидия Владимировна

Год: 2016

Основные определения коллоидной химии

1861 г. Томас Грэм ввел термин коллоиды (κόλλα— клей).

Коллоидная химия — наука, изучающая вещества, находящиеся в дисперсном состоянии и поверхностные явления в дисперсных системах.

Диспергирование — тонкое измельчение твердого тела или жидкости, в результате которого образуются порошки, суспензии, эмульсии.

Дисперсная система — гетерогенная двух- или многофазная система, в которой одно вещество, находящееся в диспергированном состоянии (дисперсная фаза) распределено в среде другого (дисперсионная среда). Степень измельчения можно характеризовать следующими параметрами: линейным размером частиц r, дисперсностью D, либо удельной поверхностью S1.

Дисперсность — физическая величина, показывающая какое число частиц можно уложить вплотную в одном кубическом метре. Чем меньше размер частиц, тем больше дисперсность. Определяют как отношение суммарной поверхности раздела фаз  к объему этих частиц.

Удельная поверхность — это отношение суммарной поверхности к общей массе частиц.

Влияние диспергирования на свойства системы: высокая развитая поверхность.

Такая большая поверхность придает дисперсным системам особые свойства.

Классификация дисперсных систем

По размерам частиц дисперсной фазы:

Размер частиц  Система
м см
10-10 10-8 Молекулярный раствор
10-9–10-8 10-7–10-6 Ультра-микро-дисперсная
10-8–10-6 10-6–10-4 микрогетерогенная (высокодисперсная)
>10-6 >10-4 Грубой дисперсии

Различия между истинным раствором, коллоидной системой и грубой дисперисей:

Истинный раствор Коллоидная система Грубая дисперсия
Видимость в оптическом микроскопе Нет Нет Видны
Проходимость через бумажный фильтр Да Да Нет
Через полупроницаемую перегородку Да Нет Нет
Самопроизвольное образование Да, ΔG0 Нет, ΔG>0
Термодинамическая устойчивость Да Да/нет Нет
Гомогенность Да Нет Нет

Классификация дисперсных систем по агрегатным состояниям дисперсной среды и дисперсной фазы:

Д.С. Д.Ф. Условное обозначение Примеры:
1 Тв Тв Т/Т Минералы, сплавы, горные породы
2 Тв Ж Ж/Т Почва, грунт, ткани жив. орг.
3 Тв Г Г/Т Пористые тела, катализаторы в газах
4 Ж Тв Т/Ж Суспензии, пасты, пульпы, золи
5 Ж Ж Ж/Ж Эмульсии
6 Ж Г Г/Ж Пены
7 Г Тв Т/Г Пыль, порошки, дым
8 Г Ж Ж/Г Облака, туман
9 Г Г

По характеру межмолекулярных взаимодействий между ДС и ДФ:

Эта классификация пригодна только для систем с жидкой дисперсионной средой.

1. Лиофильные. Термодинамические устойчивые (н-р: мыло в воде);

2. Лиофобные. Не устойчивы, слабые межмолекулярные взаимодействия (н-р: нафталин в воде).

Первоначально Зигмонди предложил классифицировать коллоидные растворы по способности сухого остатка, полученного в результате осторожного выпаривания жидкости, растворяться в чистой дисперсионной среде.

Системы, сухой остаток которых был не способен самопроизвольно диспергироваться в дисперсионной среде, он назвал необратимыми (н-р: лиозоли металлов, гидрозоли иодида серебра и т.д).

Обратимыми коллоидными системами он назвал системы, сухой остаток которых при соприкосновении со средой обычно сначала набухает, а затем самопроизвольно растворяется и снова образует коллоидную систему (н-р: раствор желатина в воде или каучука в бензоле)

Фрейндлих высказал мнение, что обратимость и необратимость коллоидной системы определяется взаимодействием дисперсной фазы с дисперсной средой. В случае обратимых коллоидов есть взаимодействие между дисперсионной средой и фазой.

Такие растворы называются лиофильными коллоидными растворами (если ДС — вода, то гидрофильными). А в случае необратимых — взаимодействия нет, следовательно ДФ не способна растворяться в ней.

Такие системы Фрейндлих назвал лиофобными (гидрофобными, если ДС — вода).

Поделиться:
Нет комментариев

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Все поля обязательны для заполнения.

×
Рекомендуем посмотреть